紫外光谱分析-中文

Ultraviolet[ˌʌltrəˈvaɪələt]/VisibleSpectroscopy紫外和可见光显微镜UVradiation(紫外辐射）紫外线辐射是比可见光的波长短但比X射线长的电磁辐射。典型的紫外线波长范围是10–400纳米。UVAbsorption(紫外吸收）日常生活中,各种溶液之所以呈现不同的颜色,与它对光的选择性吸收有关。当一束由各种波长按一定比例组成的光透过一溶液时,某些波长的光被溶液吸收,而另一些波长的光不被吸收而透过溶液。当透过的光包含有可见光波长范围内的光时,就可以被人眼察到,溶液的颜色正是由透过光的波长所决定。UV/VisSpectroscopy定义：它是一种通过分析由材料的分子、离子对紫外及可见光的吸收度构成的紫外及可见光光谱和吸光度来分析、测定及推论材料的成分、含量及结构的方法。特点:灵敏度高,准确度高,选择性好,操作简便,分析速度快,应用范围广。AbsorptionCurve（吸收曲线）使用不同波长的光通过一个浓度和厚度为常数的容液，测量溶液在不同波长下的吸收度(吸光度),然后以波长为横坐标,吸光度为纵坐标绘制一条曲线。曲线可以描述材料在不同波长下的吸光度,称为吸收曲线或吸收光谱。Accordingtotheanalysisofabsorptioncurve:（根据对吸收曲线的分析）同一浓度的溶液在不同波长下的吸光度不同。对于相同的测试溶液，浓度越大吸光度越大。对于同样的材料，无论浓度是多少，波长与最大吸收峰值（最大吸收波长λmax）是相同的，并且曲线的形状也是一样的。二、Lambert-Beer定律研究表明,有色溶液对单色光的吸收程度与溶液的浓度和液层的厚度存在定量关系,这就是著名的朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,它是比色分析的基础。当一束平行单色光通过溶液时,一部分光被介质吸收,一部分透过溶液,而另一部分则被器皿的表面反射。如果入射光的强度为I0、吸收光的强度为Ia、透过光的强度为It,则它们之间的关系为:I0=Ia+It当入射光强度I0一定时,Ia越大,It就越小,即透过光的强度越小,表明有色溶液对光的吸收程度越大。朗伯定律一束单色光通过吸光物质后,光的吸收程度与溶液液层厚度成正比关系,即:A=lg(I0/It)=K′l式中:A———吸光度;I0———入射光强度;It———透射光强度;K′———比例常数;l———液层厚度。比尔定律一束单色光通过吸光物质后,光的吸收程度与吸光物质微粒的数目(溶液的浓度)成正比关系,即:A=lg(I0/It)=K″c式中:K″———比例常数;c———溶液浓度。朗伯-比尔定律若同时考虑液层厚度和溶液浓度对吸光度的影响,即把朗伯定律和比尔定律合并,即:A=lg(I0/It)=Klc式中:K———与入射光波长、溶液性质及温度有关的常数。一束平行单色光通过一均匀溶液时,其吸光度与溶液浓度和光线通过的液层厚度的乘积成正比,此即为朗伯-比尔定律。在单色光和稀溶液的实验条件下，溶液对光线的吸收遵循Lambert-Beer定律。即吸光度（A）与溶液的浓度（C）和吸收池的厚度（l）成正比。A=KlC若溶液的浓度用摩尔浓度，吸收池的厚度以厘米为单位，则Beer定律的吸光系数（K）可表达为，即摩尔吸光系数。A=lC=-lgI/I0;即=A/lCI0:入射光强度；I:透射光强度电子跃迁类型有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子1.电子类型形成单键的σ电子C-H、C-C形成双键的π电子C=C、C=O未成对的孤对电子n电子C=O：例：¨COHnpsH分子轨道有σ、σ*、π、π*、n能量高低σ＜π＜n＜π*＜σ*能量n→π*跃迁nσσ→σ*n→σ*π→π*σ*π*π当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁类型,跃迁所需能量为：σ→σ*n→σ*π→π*n→π*分子中电子的能级和跃迁1、ss*transition它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。饱和烃中的—c—c—键属于这类跃迁。2.ns*transition实现这类跃迁所需要的能量较高，吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。如CH3OH3.pp*transition它需要的能量低于ss*跃迁，吸收峰一般处于近紫外光区，其特征是摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带。4.np*transition这类跃迁发生在近紫外光区,一般200nm。它是简单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁。其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃迁。常用术语发色团——含不饱和键基团，有π键含有不饱和键，能吸收紫外可见光，产生n→π*或π→π*跃迁的基团称为发色团助色团——含杂原子的饱和基团一些本身在紫外和可见光区无吸收,但能使生色团吸收峰红移,吸收强度增大的基团称为助色团长移与短移——向长波方向移动叫红移——向短波方向移动叫蓝移例：-OHλmax=254nm=230λmax=270nm=1250吸收带—吸收峰在吸收光谱上的波带位置（1）R吸收带：n→π*跃迁特点：a跃迁所需能量较小，吸收峰位于200~400nmb吸收强度弱，＜102（2）K吸收带：共轭双键中π→π*跃迁特点：a跃迁所需能量较R带大，吸收峰位于210~280nmb吸收强度强，104随着共轭体系的增长，K吸收带长移，210~700nm时增大。K吸收带是共轭分子的特征吸收带，可用于判断共轭结构——应用最多的吸收带。（3）B吸收带和E吸收带—苯环带B吸收带：有苯环必有B带230-270nm之间有一系列吸收峰，中吸收，芳香族化合物的特征吸收峰苯环上有取代基并与苯环共轭，精细结构消失AλnmAλnmλmax长移苯吸收曲线λmax=254nmE吸收带：π→π*跃迁E1=185nm强吸收104E2=204nm较强吸收103小结：R带n→π*弱吸收K带π→π*强吸收共轭B带π→π*中吸收E带π→π*强吸收UV-VisSpectrometerGeneralcomponentsRadiationsourceMonochromatorSamplecontainerDetectorreadoutdeviceRadiationsource辐射源[,mɔnəu‘krəumeitə]单色仪样品室检测器读取设备1.辐射源在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱(200-1000nm)，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类.可见光区：钨灯(tungstenfilamentlamp)作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。紫外区：氢、氘灯(deuteriumandhydrogenlamp)。发射185～400nm的连续光谱。2.单色器单色器是从连续光谱中获得所需单色光的装置。常用的有棱镜和光栅两种单色器。棱镜单色器的缺点是色散率随波长变化，得到的光谱呈非均匀排列，而且传递光的效率较低。光栅单色器在整个光学光谱区具有良好的几乎相同的色散能力。因此，现代紫外—可见分光光度计上多采用光栅单色器。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；⑤出射狭缝。3.样品室样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。4.检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号。常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管。5.读取设备常用的显示器有检流计、微安计、电位计、数字电压表、记录仪、示波器及数据处理机等。仪器的类型1.Single-beamUV-Visspectrophotometer光源单色器参比样品检测器显示器•只有一条光路，通过变换参比池和样品池的位置，使它们分别置于光路来进行测定•简单、价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。单色器参比样品检测器显示器斩光器光源2.Double-beam双光束自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。3.Double-wavelength一个光源，两个单色器，一个吸收池光源单色器Ⅰ单色器Ⅱ吸收池检测器12斩光器用两种不同波长的单色光束交替照射到样品溶液上，不需使用参比溶液，测得的是样品在两种波长下的吸光度之差将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。△=1～2nm。ΔA=Aλ2-Aλ1=(ελ2-ελ1)bc=Kc1、定性分析通常是在相同的条件下，测定未知物的紫外光谱图，与已知标准物质吸收光谱比较，比较二者吸收光谱特征，如吸收峰数目、位置、吸收谷、肩峰所在的位置等。分子结构相同的化合物应有完全相同的吸收光谱。不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。待测样品相同条件样品谱标准物质标准谱紫外吸收光谱法的应用2.定量分析依据：朗伯-比耳定律Lambert-Beer’sLawA=bc-lgT=bchighsensitivity：max：104～105L·mol-1·cm-1；单组分一般选λmax处测定A，做标准曲线，以得到最好的灵敏度。根据某一特征峰的高度与物质浓度成正比的关系来进行定量分析。A＝lg(I0/It)=εbc朗伯-比尔定律的适用性：朗伯-比尔定律成立条件是待测物为均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射；入射光为单色平行光。下列情形下不成立或产生较大偏差：1、在有化学因素影响时不成立。2、解离、缔合、生成络合物或溶剂化等产生偏离。3、有仪器因素影响时也不成立。4、非单色光对比尔定律产生偏离。5、杂散光(非吸收光)会对定律产生影响。6、其他影响因素包括溶剂、光效应等也应考虑。3.有机化合物结构辅助解析可获得的结构信息：了解共轭程度、空间效应等；可对饱和与不饱和化合物、异构体及构象进行判别。紫外—可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律是：⑴若在200～750nm波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。⑵若在270～350nm波长范围内有低强度吸收峰(ε＝10～100L·mol-1·cm-1),（n→π*跃迁），则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团，如羰基。⑶若在2５0～300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环，假设有精细结构的话，可能是苯环的特征吸收。⑷若在210～250nm波长范围内有强吸收峰，则可能含有2个共轭双键；若在260～350nm波长范围内有强吸收峰，则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。⑸若该有机物的吸收峰延伸至可见光区，则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物。光谱解析注意事项：(1)确认max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；4.Puritycheck纯度检查如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其中的杂质有较强吸收，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。例如：要检定甲醇或乙醇中的杂质苯，可利用苯在254nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长处几乎没有吸收。